Курочкин Ю.В. Специальное технологическое оборудование и оснастка лазерной обработки

Подождите немного. Документ загружается.

темами автоматического управления, выполняющими всю процедуру

подготовки, включения и вывода ТЛ на режим генерации.

Рассмотрим общие особенности устройства твердотельных и га-

зоразрядных (на СО

) технологических лазеров; дополнительно оста-

новимся отдельно на техническом описании тех отечественных мо-

делей ТЛ, промышленный выпуск которых освоен или запланирован,

а также коротко ознакомимся с конструкциями и характеристиками

некоторых зарубежных промышленных моделей газоразрядных ТЛ.

3.2. Твердотельные ТЛ

Основным видом твердотельных ТЛ, выпускаемых предпри-

ятиями промышленности, являются лазеры на AИГ:N d или на стекле

с Nd. На основе унифицированного ряда этих лазеров электронной

промышленностью налажен серийный выпуск лазерных технологи-

ческих установок серии "Квант" для операций термической лазерной

технологии (ЛТ) в электронике (пробивка отверстий, резка, сварка,

термоупрочнение, скрайбирование, подгонка резисторов и др.), а

также перспективных видов ЛТ (маркировка, анализ сверхчистых

веществ, УФ- и рентгенолитография, лазерный отжиг).

Рис. 10. Схемы устройства излучателей твердотельного лазера:

а, б – с отражателем (Д) в виде эллиптического цилиндра с размещением активного

элемента (1) и импульсной лам пы (2) вдоль фокальных осей; в – с полостной лампой

(2), размещаемой внутри цилиндрического отражателя (3), вдоль оси лампы разме-

щается активный элемент (1); г – с отражателем в виде двух конусов (3), активный

элемент (1) и лам па (2) размещаются вдоль общей оси конусов

Возможны различные режимы генерации лазеров на АИГ :Nd.

При непрерывной накачке в режимах свободной генерации и с моду-

ляцией добротности – при частотах 10

…5·10

; 10

…10

и 10

…10

Гц; при импульсной накачке как в режиме свободной генерации, так

и в режиме модуляции добротности – с частотами повторения

0,1...500 Гц.

Излучатели твердотельных лазеров. Излучатель включает в

себя следующие узлы: активный элемент 1; осветительную систему 2;

отражатель 3 (рис. 10, а–в).

Активный элемент (кристалл, стержень) состоит из стекла или

АИГ, с присадкой ионов Nd (длина генерации λ= 1,06 мкм).

Особенности активных элементов из стекла с Nd: высокая опти-

ческая однородность, низкая угловая расходимость излучения (диа-

метр пятна фокусировки достигает 5...20 мкм). Возможны большие

размеры стержня (l = 260, D = 10...15 мм) и соответственно увели-

ченная энергия генерации в импульсе (до 10 Дж), ресурс –до 10

вспышек. Недостатком этого материала является сравнительно низ-

кая теплопроводность, что не позволяет получать высокие средние

мощности в режиме повторяющихся импульсов (частотой ~1 Гц).

Особенности активных элементов из АИГ: N d: повышенный

КПД (до 1,5...2%); выше срок службы элемента, ниже уровни накач-

ки, меньше габариты; более высокая, чем у стекла, теплопровод-

ность, ниже коэффициент термического расширения, выше механи-

ческая прочность и температурная стабильность, возможны частоты

повторения импульсов до 10 Гц при средней мощности до 100 Вт,

возможен непрерывный режим генерации при средней мощности до

100 Вт; возможен режим модулированной добротности (при частоте

повторения до 40 кГц). Недостатком этого материала является его бо-

лее высокая стоимость по сравнению со стеклом.

Осветительная система. Наиболее распространена осветитель-

ная система с одной прямой лампой накачки и цилиндрическим от-

ражателем (кругового или эллиптического сечения, см. рис. 10, а, б);

используются также симметричный кольцевой электроразрядный ос-

ветитель (рис. 10, в) и конические отражатели (рис. 10, г). Однако оп-

тимальной оказалась конструкция осветителя в виде стеклянного или

кварцевого блока эллиптического сечения (рис. 10, а, б), его отра-

жающая поверхность покрывается слоем серебра.

Лампы накачки. Как для непрерывных, так и для импульсных

ТЛ применяются дуговые криптоновые лампы, например в ЛТУ

"Квант-10" используются лампы ИФП-5000, в ЛТУ типа "Квант-11" –

ИФП-800.

Оптический ре зонатор. Минимальную угловую расходимость θ

обеспечивают плоские зеркала (параллельность 10

). С увеличением

длины резонатора l угол θ в уменьшается: при l = 500 мм угловая

расходимость θ (АИГ) =5...30, θ (стекло) = 1...10

–1

. Использование ре-

зонатора с вогнутыми зеркалами приводит к увеличению θ, но при

этом растет и КПД лазера (так как увеличивается добротность неак-

сиальных мод колебаний). Увеличение коэффициента отражения R

от

и ресурса зеркал достигается применением многослойных интерфе-

ренционных покрытий. Применение вращающихся зеркал эксцен-

трично оси луча позволяет использовать всю площадь зеркала 6...10

раз и увеличивает срок службы зеркала до 5000 ч.

Оптические системы твердотельных ЛТУ. Оптические систе-

мы выполняют следующие функции: передают энергию лазерного

излучения к месту обработки, регулируют параметры излучения,

формируют пучки с высокой плотностью мощности, наводят излуче-

ние на обрабатываемую точку, контролируют процесс обработки ма-

териала. Изменение направления пучка производят призмами полно-

го внутреннего отражения или интерференционными зеркалами. За-

щиту объектива от паров, капель, плазмы, аэрозолей осуществляют с

помощью прозрачной движущейся ленты, струи воздуха, электро-

магнитных полей и т.д.

Рис. 11. Структурная блок-схема лазерной технологической

установки с твердотельным ТЛ:

1 – излучатель; 2 – система охлаждения; 3 - блок поджига лампы; 4 – источник пита-

ния; 5 – программирующее устройство; 6 – предметный (рабочий) стол; 7 – обраба-

тываемый образец; 8 –оптический блок; 9 – система автоматической стабилизации

выходной энергии; 10 – устройство дозирования энергии

При применении твердотельных ЛТУ часто используют проек-

ционные методы обработки, когда поверхность детали размещается в

плоскости изображения диафрагмы (массы).

Наблюдение за обрабатываемым объектом ведется с помощью

микроскопов, причем фокусирующая и визуализирующая системы

должны иметь общий объектив.

Рассмотрим в качестве примера одну из широко применяемых

лазерных технологических установок твердотельных ТЛ.

Лазерная технологическая установка "Квант-16" предназначена

для сварки металлических листов толщиной до 0,5 мм и термической

обработки на глубину до 0,1 мм. Излучателем установки (блок-схема

на рис. 11) является ТЛ на основе активного элемента из неодимово-

го стекла.

Параметры ТЛ: длина волны излучения 1,06 мкм; энергия в им-

пульсе до 30 Дж; частота повторения импульсов 0,1 Гц; стабильность

энергии импульса ± 10%;

Параметры пятна фокусировки 0,7...1,4 и 2...5 мм; мощность, по-

требляемая от сети, 6 кВт, потребление воды 5л/м (0,3 м

/ч).

Блок охлаждения ТЛ (дистиллированной водой) содержит цен-

тробежный насос, бак, теплообменник, реле расхода воды, панель

управления. Предметный стол включает в себя микрометрическую

головку, пару, рейка – шестерня, фикси рующий винт, винты крепле-

ния приспособления, шариковые направляющие. Оптический блок

включает в себя: датчик энергии (на основе фотодиода ФД-24К),

съемную телескопическую систему, узел бипризмы (для разделения

фокальн ого пятна на два), поворотное интерференционное зеркало,

фокуси рующи й объектив, светоделительную пластину, окулярное

устройство канала наблюдения с защитным светофильтром, зерка-

лом, тубусной линзой и бинокулярной насадкой.

Запуск ТЛ производится оператором в режиме моноимпульса

или в полуавтоматическом режиме.

Твердотельные ТЛ непрерывного действия. Наиболее широко

используются лазеры на AИГ:Nd, генерирующие излучение с длиной

волны 1,06 мкм, а также вторую и третью гармоники, что достигается

с помощью нелинейных кристаллов.

Выпускаемые ТЛ непрерывного действия серии ЛТН имеют

КПД до 3% благодаря использованию квантрона К-301 с одной крип-

тоновой дуговой лампой ДНП-6/90, эллиптическим отражателем из

кварцевого стекла и высококачественным активным элементом из

AИГ:N d размером 6,3 X 100 мм. Начиная с мощности 250 Вт, в ТЛ

этого типа применяется несколько квантронов. Так, в ЛТН-103 ис-

пользуется два квантрона, находящихся в общем резонаторе. Неко-

торые примеры и характеристики этой серии приведены в табл. 3.1. В

перспективе предусмотрены разработка и выпуск ТЛ непрерывного

действия мощностью до 0,5...1 кВт за счет каскадного размещения

квантронов.

Таблица 3.1

Тип тех-

нологиче-

ского

лазера

Длина-

волны-

излуче-

ния,

мкм

Средняя

мощно-

стьизлуче-

ния, Вт

Частота

повторе-

ния им-

пульсов,

кГц

Диаметр-

луча на

выходе,

мм

Расходи-

мость излу-

чения, рад

Масса ус-

тановки,

кг

Лазеры, непрерывного действия

ЛТН-101 1,064 63 – 4 1·10

–2

190

ЛТН-102А 1,064 125 – 4 1·10

–2

220

ЛТН-102Б 1,32 31 – 4 1·10

–2

220

ЛТН-103 1,064 250 – 4 1,2·10

–2

340

ЛТН-401А 0,532 1 – 4 1·10

–2

210

ЛТН-401Б 0,532 2 – 4 1·10

–2

210

Импульсные лазеры

ЛТИ-501

1,064 8 5…50 1,5 1,0·10

–3

225

ЛТИ-502

1,064 16 8…50 1 2,0·10

–3

225

ЛТИ-504

1,064 4 5…25 2 2,0·10

–3

280

ЛТИ-701

0,532 4 1…25 0,8…1 1,5·10

–3

225

ЛТИ-702

0,532 2 1…25 0,8…1 1,5·10

–3

225

Твердотельные ТЛ импульсного действия. Импульсный ре-

жим работы ТЛ осуществляется двумя способами: либо посредством

модуляции добротности при непрерывной накачке, либо посредством

импульсной накачки (как в режиме модуляции добротности, так и в

режиме свободной генерации).

Первый способ реализован в лазерах серии ЛТИ (см. табл. 3.1),

разработанных на единой основе с лазерами серии ЛТН. Для модуля-

ции добротности в лазерах серии ЛТИ используется акустический за-

твор МЗ-301. При выключении затвора лазеры работают в непрерыв-

ном режиме с сохранением мощности излучения.

Второй способ реализован в ЛТУ серии "Квант". Конструкция

лазеров, работающих в режиме свободной генерации, оказывается

простейшей, а энергия в импульсе – наивысшей (до 30 Дж) при вы-

сокой средней мощности излучения (до 125Вт).

Основные технические характеристики твердотельных техноло-

гических лазеров приведены в табл. 3.1.

3.3. Газоразрядные лазеры с диффузионным охлаждением

рабочая смеси (ЛДО)

Общая характеристика ЛДО. Технологические С0

-лазеры рас-

сматриваемого типа были разработаны в 1964 г. Основные техниче-

ские параметры и эксплуатационные характеристики промышленных

ЛДО приведены в табл. 3.2. Техническое развитие конструкций од-

нолучевых ЛДО показало, что оптимальный диапазон их выходной

мощности находится в области до 0,5...1 кВт. Простота организации

газового разряда и устройства оптической схемы устойчивого резо-

натора, позволяющей достаточно близко сопрягать апертуру пучка

выходного излучения с диаметром газоразрядных труб при числе

Френеля N

≅ 1, привели к тому, что однолучевые ЛДО стали основ-

ным типом ТЛ с гауссовым пучком излучения, обладающим также

высоким уровнем стабильности мощности и угловой стабильности

оси пучка. Технологический лазер с высоким качеством пучка излу-

чения, генерирующий пучок с гауссовым радиальным распределе-

нием интенсивности, соответствующим поперечной моде ТЕМ

, ус-

ловно называют одномодовым.

Одномодовые ЛДО обладают следующими достоинствами.

1. Пучок их излучения легко трансформируется и фокусируется в

пятно размером 50...100мкм, что позволяет получить интенсивность

излучения в пятне свыше 10

Вт/см

2. Ось пучка сохраняет стабильное угловое положение благодаря

ее совпадению с осью симметрии профиля ненасыщенного коэффи -

циента усиления активной среды. Это позволяет контролировать с

высокой точностью местоположение сфокусированного пучка на об-

рабатываемом изделии.

3. Малая апертура генерируемого пучка (10...30 мм) позволяет

использовать относительно дешевые оптические элементы, механи-

ческие узлы и приводы.

Одномодовые ЛДО используются в задачах прецизионной лазер-

ной резки, размерной обработки, гравировки, пробивки отверстий

(они, как правило, имеют наряду с непрерывным также импульсно-

периодический режим генерации), а также в задачах лазерной сварки

и поверхностной термической обработки. Примеры такого типа про-

мышленных ТЛ приведены в табл. 3.2 (Е-775, М1000).

Таблицa 3.2

Технические параметры Эксплуатационные характеристики

Модель

ЛДО

Н,

кВт

Нес та

биль-

ность

(∆Р/Р)

Апер

тура-

пуч-

ка,

мм

Мода

генера-

ции (или

Угло-

вая

рас-

ходи-

мость,

мрад

Габариты, м Состав

смеси

:He

и давление,

торр

Га-

зо-

по-

треб

ле-

ние,

/ч

Во-

до-

по-

треб-

ле-

ние,

/ч

Меж-

профи

лак-

тиче-

ское

вре-

мя, ч

Наличие

ИПР

Нали-

чие

МПСАУ

"Кохерент"

Е-775

0,8 ±2 18 90%

ТЕМ

1,5 4,6Х0,94Х0,66 4,5:13,5:82;

0,08 2,2 500

≥0,1 мс

≤2,5кГц

"Фотон"

"Соурсиз"

М1000

1,0 ±2 10 95%

ТЕМ

1,55 3,85Х1,05Х1,8 1:2:22; 20 0,9 0,9 500 + +

ЛГН-702 0,8 ±5 40

=0,08

3 6,47Х0,716Х1,26 1:2:10; 7,5 0,24 1,2 40 – –

"Юпитер" 0,3 ±5 80

=0,04

3 1,5Х0,27Х0,17 1:2:7; 15 0,16 0,3 600

≤200 кГц

=10 Р

ср

–

"ИГ-ЛАН-3" 0,3 ±3 94

=0,04

5 5,6Х0,8Х1,8 1:1,8:5,6; 20 0,9 10 – –

МТЛ-2 2,0 ±5 94

=0,08

2,5 1,9Х0,8Х1,7 0,3 3,5 + +

= θ

/θ</0, где θ

– дифракционная расходимость на апертуре пучка на выходе; θ – фактически наблюдаемая рас-

ходимость пучка.

Однолучевые промышленные ЛДО типа ЛГН-702 (см. табл. 3.2),

а также аналогичные по конструкции ЛДО с меньшими мощностями

излучения [ИЛГН-703 (600 Вт), ИЛГН-702 (150 Вт), ИЛГН-704 (45

Вт)] генерируют негауссовы пучки излучения и поэтому обладают

меньшими возможностями для фокусировки пучка. Эти ТЛ предна-

значены в основном для поверхностной термообработки.

Особый тип ЛДО представляет собой "Юпитер" (см. табл. 3.2), в

котором используется несамостоятельный разряд в коаксиальной

трубе с предыонизацией периодическими импульсами высокого на-

пряжения. Этот ТЛ генерирует когерентный коаксиальный пучок,

преобразуемый с помощью конических зеркал в пучок кругового се-

чения. "Юпитер" предназначен для поверхностной термообработки,

сварки, гравирования и других задач термической обработки мате-

риалов (промышленный выпуск этого ТЛ еще не освоен).

Достичь уровень мощности излучения более 1 кВт в однолуче-

вых ЛДО с самостоятельным разрядом можно только при общей

длине разрядной области ≥ 20 м, что при обычной схеме расположе-

ния разрядных трубок, последовательно включенных в оптический

резонатор, приводит к необходимости использования различного ви-

да сверток оптического тракта. Это позволяет сократить габариты ла-

зера, но ухудшает стабильность выходных параметров, увеличивает

потери на поворотных зеркалах, усложняет настройку и эксплуата-

цию оптической системы резонатора. Замена схемы ЛДО с последо-

вательным включением разрядных трубок в резонатор на схему с па-

раллельным расположением трубок малого диаметра внутри общего

резонатора, образованного двумя плоскими зеркалами, позволяет

снять ограничения на мощность.

Лазеры с диффузи он ным охлаждением с параллельным располо-

жением трубок называются многолучевыми. При сохранении общих

достоинств (большая экономичность изготовления, эксплуатации)

многолучевые ЛДО имеют дополнительные преимущества по срав-

нению с быстро проточными лазерами (БПЛ): высокую стабильность

параметров излучения (мощности, угловой расходимости, углового

положения оси диаграммы направленности), причем в отличие от

быстро проточного газоразрядного лазера увеличение мощности ла-

зера не сопровождается ухудшением качества излучения: высокую

компактность блока генерации; возможность создания практически

любого распределения плотности мощности на поверхности изделий.

Многолучевая схема ЛДО была впервые реализована в образце лазе-

ра типа "ИГЛАН" (см. табл. 3.2) мощностью излучения 3 кВт, в кото-

ром применен разряд постоянного тока. Другой вариант многолуче-

вого лазера, в котором для возбуждения активной среды использует-

ся емкостный безэлектродный разряд переменного тока частотой F =

10…20 кГц, реализован в образцах лазеров типа МТЛ (см. табл. 3.2).

Метод накачки переменным током позволяет получить ряд преиму-

ществ: ликвидировать активные балластные сопротивления и тем са-

мым поднять технический КПД лазера; снизить рабочее напряжение

при одновременном увеличении рабочего давления; упростить кон-

струкцию газоразрядного блока, повысить его компактность, техно-

логичность и надежность; устранить металлические электроды в зоне

разряда, где они подвержены эрозии и окислению.

Таблица 3.3

Модель

Параметры

М185 М375 М575 М775

Вт 185 375 575 775

ПИК

, кВт, в ИПР 1 2 3,5 3,5

Газопотребление, л/ч 20 40 80 80

Водопотребление, м

/ч 1,1 1,3 2,2 2,2

Габариты кожуха (длина, ширина,

высота), м

3Х0,

8Х0,66

4,6Х0,

94Х0,66

4,6Х0,

94Х0,66

4,6Х0,

94Х0,66

Основным недостатком многолучевых лазеров является сравни-

тельно большая общая апертура пучка, представляющего собой на-

бор параллельных пучков от каждой трубки, при относительно высо-

кой расходимости излучения, определяющейся диаметром одиноч-

ной трубки. Это создает трудности для систем транспортировки из-

лучения и препятствует острой фокусировке луча. Поэтому эти ТЛ

наиболее перспективны для поверхностной термообработки, где тре-

буемый уровень плотности мощности не превышает ~10

Вт/см

Рассмотрим устройство технологических ЛДО, выпускаемых

отечественной промышленностью, а также фирмы "Кохерент".

Одномодовые ЛДО фирмы "Кохерент" (табл. 3.3). В качестве ха-

рактерного примера данного типа ЛДО можно рассмотреть техноло-

гический лазер "Эверлэйз". Эти ТЛ выпускают в нескольких моделях

на разные уровни номинальной мощности излучения Р

(от 100 до

800 Вт). Каждая модель имеет диапазон регулировки мощности

(0,3...1,1) Р

; нестабильность мощности не превышает ± 2%; рабочая

смесь – CO

:He = 4,5: 13,5:82; минимальная длительность импуль-

сов в импульсно-периодическом режиме составляет 100 мкс, макси-

мальная частота следования импульсов – 2,5 кГц. Остальные важ-

нейшие технические параметры одномодовых промышленных лазе-

ров представлены в табл. 3.3.

Конструктивно ТЛ скомпонован в виде единого блока, в котором

смонтирован оптический резонатор с секциями газоразрядных труб 3

(рис. 12), схема охлаждения и термостабилизации система газообме-

на и схема электропитания. Ток разряда стабилизирован с точностью

0,1%; элементы блока электропитания термостабилизированы. Для

работы в импульсно-периодическом режиме в секциях газоразряд-

ных труб предусмотрены поджигающие электроды; в источнике пи-

тания имеется импульсный блок модуляции разряда. Оптический ре-

зонатор и секции газоразрядных труб 3 крепятся к стальной оптиче-

ской скамье 6 и трубе 8. Секции газоразрядных труб охлаждаются

маслом и термостабилизируются с точностью ± 0,5°С (вместе с резо-

натором) с помощью теплообменника масло – вода, поворотные зер-

кала резонатора 5 термостабилизируются с точностью ± 0,1°С. Излу-

чение лазера линейно поляризовано, это реализуется с помощью зер-

кала, стоящего в резонаторе под углом 45° к оси. Юстировка резона-

тора производится на заводе-изготовителе, при эксплуатации ТЛ не-

обходима только подъюстировка выходного зеркала по максимуму

выходной мощности.

Автоматическая микропроцессорная система контроля и управ-

ления ТЛ выполняет функции блокировок, контроля тока и напряже-

ния разряда; контроля выходной мощности излучения (с помощью

непрерывного измерителя мощности); программного задания-

циклограммы мощности излучения.

ТЛ обеспечиваются набором внешних оптических устройств и

других аксессуаров: коллиматором-расширителем лазерного пучка;

охлаждаемыми зеркалами для поворота пучка на 90°; фокусирующи-

ми линзами с фокусным расстоянием F = 3,8...25,4 см из просветлен-

ных ИК-окон (GaAs, ZnSe, Ge); устройством тонкой подъюстировки

фокуса с микроскопом и телевизионной системой для установки луча

на объект; сопловым блоком для лазерной обработки; пультом дис-

танционного управления; устройством для перемещения луча.

Многолучевой ТЛ "ИГЛАН-3" предназначен для лазерной по-

верхности термообработки (см. табл. 3.2, рис. 13). Лазер состоит из

четырех основных систем: лазерной головки I, газовой системы II,

системы охлаждения III и системы электропитания и стабилизации

разряда IV.